Химическая эволюция
По наводке Шляпника (russhatter) прочитал серию статей Никитина в "Химии и жизни" о биогенезе. Тема сопрягается с "Логикой случая" Кунина, но хотя, как следует из аннотации, Никитин занимается эволюционной геномикой, он смотрит на эволюцию с другой стороны: со стороны эволюции химических реакций и соединений, которые участвует в синтезе белка, транскрипции и репликации, фотосинтезе и т.д. Там довольно много собственно химии, но понять основные мысли можно и без глубокого знания оной. Многие факты были для меня новыми и неожиданными. Методы исследований тоже. Несколько особенно запомнившихся.
1. Показано, почему органика именно углеродно-кислородная, а не на основе кремния, фтора, серы или бора, которые могут образовывать похожие структуры. То есть жизни на других основаниях возможны, но существенно менее вероятны, в силу распространенности элементов, которая следует из ядерных реакций в звездах.
2. Хиральная чистота. Оказывается, подавляющее большинство аминокислот и сахаров ориентированно в пространстве одинаково. Но при абиогенном синтезе белков получается равномерная смесь "правых" и "левых". Химики довольно долго придумывали "естественные условия" при которых могли получиться хирально чистые аминокислоты и сахара, но вроде нашли ряд способов, как это могло произойти.
3. Ультрафиолет, то есть Солнце, участвует практически на всех этапах развития белковых структур. Например, солнечный ультрафиолет может служить фактором отбора по следующим направлениям:
- отбор самых УФ-стойких азотистых оснований, образующих комплементарные пары, среди других ароматических соединений;
- отбор хирально чистых олигонуклеотидов среди рацемических;
- отбор длинных молекул РНК по сравнению с более короткими;
- отбор молекул РНК, содержащих локальные двуспиральные участки (шпильки) среди молекул со случайными последовательностями.
4. Ионный состав окружающей среды во время формирования первых биомолекул и клеток можно предположить по составу цитоплазмы, так как до появления мембраны (РНК-мир) все реакции происходили в окружающей среде и "приспособились" к ним. Потом это менять уже было поздно. Химический состав древних белков дает дополнительные данные. В частности, теория "цинкового мира", по составу цитоплазмы и древних белков выглядит убедительнее, чем конкурирующая теория "железного мира".
5. LUCA -- да, не один организм, скорее всего, а сообщество протоогранизмов.
В последнее время ученыесклоняются к представлению о LUCA как о сообществе реплицирующихся молекул РНК и ДНК, обитавшем на поверхности минералов, но имевшем липидные мембраны. Возможно, мембраны покрывали плоские скопления белков и нуклеиновых кислот на поверхности минерала, не давая им растворяться в воде, а также ограничивали свободно плавающие пузырьки - расселительные стадии плоских «организмов-сообществ», первые объекты, похожие на клетки. Одни репликаторы, составлявшие эти сообщества, обладали кооперативным поведением и в дальнейшем вошли в состав клеток. Другие паразитировали на сообществе - и стали предками вирусов. Горизонтальный перенос генов объединял эти репликаторы в достаточной степени, чтобы они не могли эволюционировать как раздельные биологические виды.
6. Интересная теория, объясняющая резделение бактерий и архей, при изменении климатических условий.
Теория «цинкового мира», среди прочего, легко и естественно объясняет расхождение линий бактерий и архей и появление их отличительных свойств. Ранее для их разделения предлагали географическую изоляцию, но сама по себе изоляция не создала бы таких фундаментальных различий. В «цинковом мире» их пути расходятся, когда падение давления атмосферы более не позволяет геотермальным источникам выносить на поверхность сульфид цинка. Его старые отложения тают под солнечным светом, расходуясь на абиогенный фотосинтез, <…>, и населяющие их протоорганизмы оказываются в кризисе. Из этого кризиса они нашли два выхода. Одна группа, давшая начало бактериям, покинула геотермальные биотопы и научилась использовать энергию света самостоятельно, с помощью пигментов, из которых впоследствии сохранился хлорофилл. Они, скорее всего, произошли от обитателей верхних, самых освещенных слоев отложений ZnS, где еще до кризиса им пришлось создать пигментные системы для защиты от ультрафиолета мембран и мембранных белков. Другая группа не смогла отказаться от родной геотермальной химии и последовала за тающими сульфидными источниками в морские глубины и вечную темноту. Им пришлось освоить хемоавтотрофное питание, например используя энергию реакции метаногенеза: CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O. Они стали археями.
7. Интересно, что сначала возник сульфидный фотосинтез и сульфатное "дыхание". То есть вместо кислорода под действием света одними "организмами" синтезировалась сера и ее соединения, а другими сульфаты использовались для окисления глюкозы. Кислородный фотосинтез возник позже, когда серы стало "не хватать". Причем, утверждается, что достаточно понятно, как именно это происходило: "О происхождении фотосинтеза могут рассказать последовательности участвующих в нем белков и пути биосинтеза пигментов"
8. Гипотеза происхождения ядра эукариот не от бактерии, а от вируса. Насколько я понял, не мейнстрим, но в последние годы обретает все больше сторонников, так как позволяет лучше объяснить некоторые моменты, например, происхождение полового размножения и мейоза. Роль вирусов в эволюции вообще, возможно, выше, чем принято считаеть. В частности, есть гипотеза, что ДНК как носитель генетического кода (вместо РНК) была "придумана" вирусами в рамках "гонки вооружений" с защитными системами, и уже потом подхвачена другими огранизмами. Многие белки также были синтезированы в вирусах, изменчивость которых существенно выше, чем у бактерий и архей. Если гипотеза насчет вирусного происхождения ядра пока только гипотеза, то некоторые ферменты и системы клетки имеют доказанное происхождение от вирусов. Так что фантастика на тему изменения свойств клеток и организма посредством лизогении совсем даже не фантастика.
1. Показано, почему органика именно углеродно-кислородная, а не на основе кремния, фтора, серы или бора, которые могут образовывать похожие структуры. То есть жизни на других основаниях возможны, но существенно менее вероятны, в силу распространенности элементов, которая следует из ядерных реакций в звездах.
2. Хиральная чистота. Оказывается, подавляющее большинство аминокислот и сахаров ориентированно в пространстве одинаково. Но при абиогенном синтезе белков получается равномерная смесь "правых" и "левых". Химики довольно долго придумывали "естественные условия" при которых могли получиться хирально чистые аминокислоты и сахара, но вроде нашли ряд способов, как это могло произойти.
3. Ультрафиолет, то есть Солнце, участвует практически на всех этапах развития белковых структур. Например, солнечный ультрафиолет может служить фактором отбора по следующим направлениям:
- отбор самых УФ-стойких азотистых оснований, образующих комплементарные пары, среди других ароматических соединений;
- отбор хирально чистых олигонуклеотидов среди рацемических;
- отбор длинных молекул РНК по сравнению с более короткими;
- отбор молекул РНК, содержащих локальные двуспиральные участки (шпильки) среди молекул со случайными последовательностями.
4. Ионный состав окружающей среды во время формирования первых биомолекул и клеток можно предположить по составу цитоплазмы, так как до появления мембраны (РНК-мир) все реакции происходили в окружающей среде и "приспособились" к ним. Потом это менять уже было поздно. Химический состав древних белков дает дополнительные данные. В частности, теория "цинкового мира", по составу цитоплазмы и древних белков выглядит убедительнее, чем конкурирующая теория "железного мира".
5. LUCA -- да, не один организм, скорее всего, а сообщество протоогранизмов.
В последнее время ученыесклоняются к представлению о LUCA как о сообществе реплицирующихся молекул РНК и ДНК, обитавшем на поверхности минералов, но имевшем липидные мембраны. Возможно, мембраны покрывали плоские скопления белков и нуклеиновых кислот на поверхности минерала, не давая им растворяться в воде, а также ограничивали свободно плавающие пузырьки - расселительные стадии плоских «организмов-сообществ», первые объекты, похожие на клетки. Одни репликаторы, составлявшие эти сообщества, обладали кооперативным поведением и в дальнейшем вошли в состав клеток. Другие паразитировали на сообществе - и стали предками вирусов. Горизонтальный перенос генов объединял эти репликаторы в достаточной степени, чтобы они не могли эволюционировать как раздельные биологические виды.
6. Интересная теория, объясняющая резделение бактерий и архей, при изменении климатических условий.
Теория «цинкового мира», среди прочего, легко и естественно объясняет расхождение линий бактерий и архей и появление их отличительных свойств. Ранее для их разделения предлагали географическую изоляцию, но сама по себе изоляция не создала бы таких фундаментальных различий. В «цинковом мире» их пути расходятся, когда падение давления атмосферы более не позволяет геотермальным источникам выносить на поверхность сульфид цинка. Его старые отложения тают под солнечным светом, расходуясь на абиогенный фотосинтез, <…>, и населяющие их протоорганизмы оказываются в кризисе. Из этого кризиса они нашли два выхода. Одна группа, давшая начало бактериям, покинула геотермальные биотопы и научилась использовать энергию света самостоятельно, с помощью пигментов, из которых впоследствии сохранился хлорофилл. Они, скорее всего, произошли от обитателей верхних, самых освещенных слоев отложений ZnS, где еще до кризиса им пришлось создать пигментные системы для защиты от ультрафиолета мембран и мембранных белков. Другая группа не смогла отказаться от родной геотермальной химии и последовала за тающими сульфидными источниками в морские глубины и вечную темноту. Им пришлось освоить хемоавтотрофное питание, например используя энергию реакции метаногенеза: CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O. Они стали археями.
7. Интересно, что сначала возник сульфидный фотосинтез и сульфатное "дыхание". То есть вместо кислорода под действием света одними "организмами" синтезировалась сера и ее соединения, а другими сульфаты использовались для окисления глюкозы. Кислородный фотосинтез возник позже, когда серы стало "не хватать". Причем, утверждается, что достаточно понятно, как именно это происходило: "О происхождении фотосинтеза могут рассказать последовательности участвующих в нем белков и пути биосинтеза пигментов"
8. Гипотеза происхождения ядра эукариот не от бактерии, а от вируса. Насколько я понял, не мейнстрим, но в последние годы обретает все больше сторонников, так как позволяет лучше объяснить некоторые моменты, например, происхождение полового размножения и мейоза. Роль вирусов в эволюции вообще, возможно, выше, чем принято считаеть. В частности, есть гипотеза, что ДНК как носитель генетического кода (вместо РНК) была "придумана" вирусами в рамках "гонки вооружений" с защитными системами, и уже потом подхвачена другими огранизмами. Многие белки также были синтезированы в вирусах, изменчивость которых существенно выше, чем у бактерий и архей. Если гипотеза насчет вирусного происхождения ядра пока только гипотеза, то некоторые ферменты и системы клетки имеют доказанное происхождение от вирусов. Так что фантастика на тему изменения свойств клеток и организма посредством лизогении совсем даже не фантастика.